Puzzelen met kobalt en aluminium

Dankzij kleinere chips worden mobieltjes steeds handzamer – dat zal niemand ontgaan. Er zijn echter nog altijd onderdelen die zich verzetten tegen miniaturisatie. Die zitten vooral in het signaalverwerkende deel van de apparaatjes, maar ze bewijzen hun nut ook bij het opwekken van microgolven. Hun doel is tijdelijk een hoeveelheid energie op te slaan en dat vergt nu eenmaal enige omvang. Een relatief steeds groter deel van signaalverwerkingschips gaat aan deze componenten op.
Sommige voor radiotransmissie noodzakelijke componenten moeten bovendien magnetisch zijn. Dat vraagt om ferrieten, ijzerverbindingen die hogere productietemperaturen vergen dan silicium aankan. Integratie op een chip is daarom niet mogelijk. Al met al zijn deze elementen een belangrijke bottleneck geworden bij verdere miniaturisatie.

“Mijn onderzoek is ontstaan uit de gedachte dat magnetische films op een chip de bestaande niet-magnetische componenten zouden kunnen verbeteren en de magnetische componenten op de chip brengen”, vertelt Pedram Khalili-Amiri, die afgelopen dinsdag promoveerde op zijn zoektocht naar materialen die dit klusje zouden kunnen klaren. Het onderzoek vond plaats bij Dimes.

“Voor bijvoorbeeld harddisks wordt al veel onderzoek gedaan naar magnetische materialen”, vervolgt Khalili. “De eisen zijn anders als het materiaal signalen met hoge frequenties moet verwerken. Dat vraagt bijvoorbeeld om een hoge weerstand. De meeste groepen werken met nikkelferriet, maar de eigenschappen daarvan zijn niet zo goed. Daarom hebben wij kobaltaluminaat geprobeerd, een ander bekend magnetisch materiaal.”

Bij het opsputteren – een techniek die zich het best laat omschrijven als een plantenspuit voor deeltjes – van kobalt en aluminium wordt ook enige zuurstof ingebracht. Omdat aluminium sneller oxideert dan kobalt, ontstaat hierdoor een film van korreltjes kobalt, omgeven door aluminiumoxide. Talloze experimenten kwamen eraan te pas om de juiste verhoudingen te vinden. Het resultaat was er echter naar: een magnetische film met een hoge weerstand.

Helaas waren andere elektrische eigenschappen dan weer minder ideaal. Die bleken gelukkig weer te verhelpen door te sleutelen aan de geometrie van de component. Ook dit was weer een kwestie van veel proberen. Khalili: “In totaal heb ik ongeveer twintig wafers laten maken, elk met honderden verschillende probeersels erop. Dit soort problemen moet je nu eenmaal proefondervindelijk oplossen.”

Het helpt wanneer je de fundamentele fysica begrijpt, geeft hij aan: “Mijn interesse lag vanaf het begin bij de fundamentele processen: waarom gedragen de elektronen zich zoals ze doen? Als je dat goed begrijpt, kun je veel gerichter ontwerpen maken. Het probleem is dat de meeste onderzoeksgroepen zich ofwel met de materialen bezighouden, ofwel met de engineering. Wij doen hier allebei.”

Om te laten zien dat je van magnetische films werkende componenten op silicium chips kunt maken, bouwde Khalili een eenzijdige faseverschuiver. Eenzijdige componenten zitten in een mobieltje tussen de signaalversterker en de antenne, om te voorkomen dat teruggekaatste signalen via de antenne terug de versterker in gaan, omdat die door dat extra vermogen kan doorbranden. Het is een behoorlijk groot ding, dat bij deze eerste poging al flink wat kleiner werd.

Toch ziet de maker hem niet snel in een mobieltje terug. “Je moet echt een heel grote verbetering laten zien, willen fabrikanten nieuwe technieken en materialen in hun fabriek toelaten. Ik verwacht de eerste toepassing in transformatoren op chip. De vraag naar miniaturisatie daarvan moet zorgen voor verdere progressie in het vakgebied. De consensus is namelijk dat we verder op zoek moeten naar nog betere materialen, al denk ik zelf dat we al dicht tegen het hoogst haalbare aanzitten.”